電傳動自卸車變形麥弗遜前懸架的優(yōu)化設(shè)計

謝和平，孟慶勇，魏廣娟

（1.徐州徐工礦山機(jī)械有限公司，江蘇徐州221000；2.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇徐州221000）

電傳動自卸車變形麥弗遜前懸架的優(yōu)化設(shè)計

謝和平1，孟慶勇1，魏廣娟2

（1.徐州徐工礦山機(jī)械有限公司，江蘇徐州221000；2.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇徐州221000）

利用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS Car模塊，建立了徐工集團(tuán)200t級電傳動自卸車的一種變形麥弗遜前懸架的剛體模型。對這種變形麥弗遜懸架進(jìn)行仿真分析，研究懸架硬點(diǎn)和定位參數(shù)對輪胎磨損的影響。利用ADAMS Insight模塊研究懸架硬點(diǎn)對輪胎磨損的靈敏度，分析結(jié)果表明橫擺臂內(nèi)、外硬點(diǎn)的Z坐標(biāo)對輪胎滑移影響最大，在硬點(diǎn)優(yōu)化的前提下，外傾角的增大能夠進(jìn)一步降低輪胎滑移，且效果明顯。前束角的增大也能夠減小輪胎滑移，但效果不明顯，為設(shè)計工作提供精確的理論依據(jù)和良好的指導(dǎo)意義。

ADAMS；變形麥弗遜懸架；運(yùn)動學(xué)分析；輪胎磨損

電傳動自卸車屬于土方機(jī)械自卸車一族，是露天礦山開采和大規(guī)模土方建設(shè)中重要的關(guān)鍵設(shè)備之一，在年開采量千萬噸級以上大型露天礦山的運(yùn)輸設(shè)備中，電傳動自卸車已占據(jù)近2/3的市場，承擔(dān)著世界上40%的煤、90%的鐵礦的開采運(yùn)輸量［1］，在礦產(chǎn)資源露天開采中發(fā)揮了重要作用。根據(jù)加拿大Syncrude公司的研究，大型露天礦山的車輛運(yùn)營費(fèi)用中，輪胎的費(fèi)用占24%，比燃油費(fèi)用還高出4個百分點(diǎn)［2］，以載重量200t的中型電傳動自卸車為例，整個生命周期中輪胎成本約為2000萬元。因此，降低輪胎損耗對于露天礦運(yùn)營具有重大意義。本文通過對輪胎磨損影響較大的輪距變化和車輪定位參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低輪胎磨損的效果。

對礦用自卸車的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、油氣懸架以及整機(jī)運(yùn)動學(xué)特性分析有學(xué)者進(jìn)行了研究，2013年華南理工大學(xué)的王志杰以阿克曼理想轉(zhuǎn)角關(guān)系為理論依據(jù)，運(yùn)用Adams對某220t電動輪礦用自卸車的轉(zhuǎn)向梯形機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和仿真研究［3］；太原理工大學(xué)的彭朝暉等利用ADAMS/Car建立礦用自卸車各系統(tǒng)模型，分析了實(shí)際工況下載重與路面等級對自卸車平順性的影響［4］；2014年Kang Yiting等學(xué)者利用基于總成特性的建模方法研究了不同獨(dú)立懸架與不同非獨(dú)立后懸架匹配對整機(jī)運(yùn)動學(xué)的

相應(yīng)特性［5］。目前，麥弗遜懸架在乘用車領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，而在礦用自卸車上應(yīng)用較少，相關(guān)的研究并不多，尤其是以減少輪胎磨損為目標(biāo)的懸架系統(tǒng)研究。

1 輪胎磨損原因分析

輪胎磨損的影響因素有很多，包括輪胎結(jié)構(gòu)、充氣壓力、輪胎載荷、速度、車輪定位參數(shù)、胎面橡膠性能、路面狀況等等。其中輪胎結(jié)構(gòu)是輪胎本身的特性，車輪定位參數(shù)是設(shè)計因素，其它因素均為使用因素。輪胎與地面間的滑移運(yùn)動是輪胎發(fā)生磨損的主要原因，車輛在過急啟動、緊急制動時、側(cè)滑、快速過彎時都會出現(xiàn)劇烈的滑移運(yùn)動，這些都屬于車輛行駛過程的特殊工況，本文僅討論正常運(yùn)行工況下設(shè)計因素與輪胎磨損的關(guān)系。

通常，車輪定位參數(shù)中輪距、前束、外傾角對輪胎磨損有直接甚至重大的影響。當(dāng)車輪具有一定前束或外傾角后，在垂直載荷作用下就會產(chǎn)生側(cè)向力，使車輪產(chǎn)生側(cè)向滑移的傾向。由于前束和外傾角產(chǎn)生的側(cè)向力方向相反，通過合理匹配前束和外傾角，就可以使作用在輪胎上的合成側(cè)向力減至最小［6］。

在幾乎所有的獨(dú)立懸架中，車輪的上下跳動都會導(dǎo)致輪距發(fā)生變化，尤其當(dāng)需要較高側(cè)傾中心時，輪距的變化更是不可避免的［7］。隨著輪距變化的加劇，輪胎磨損也遞進(jìn)增大，因此，為了降低輪胎磨損，應(yīng)當(dāng)減小輪距的變化［8］。通過優(yōu)化懸架的布置參數(shù)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)硬點(diǎn)，降低側(cè)傾中心高度，可以有效減少輪距變化，但同時又會造成外傾角的變化不理想，因此，必須在兼顧外傾角合理變化的前提下，盡可能降低側(cè)傾中心高度，優(yōu)化影響輪距變化的懸架硬點(diǎn)，使輪距變化盡可能減小。

2 變形麥弗遜前懸架多體動力學(xué)建模

電傳動自卸車采用變形式麥弗遜懸架，其結(jié)構(gòu)見圖1，油氣彈簧2上部與車架1鉸接，轉(zhuǎn)向節(jié)3安裝在油氣彈簧2的活塞桿上。常規(guī)的麥弗遜懸架的下擺臂為A形臂結(jié)構(gòu)，即擺臂內(nèi)側(cè)通過兩個鉸接點(diǎn)與車架連接，外側(cè)通過一個鉸接點(diǎn)與減震器連接。本文中電傳動自卸車的下擺臂分解為兩個部件——橫擺臂7和斜擺臂5，兩桿獨(dú)立運(yùn)動并分別與車架1和油氣彈簧2連接，有效減小主銷所受側(cè)向力，裝配、維護(hù)更為方便。

滿載運(yùn)輸是電傳動自卸車的主要工況，因此按照重載靜止?fàn)顟B(tài)建立模型，根據(jù)硬點(diǎn)坐標(biāo)創(chuàng)建幾何模型，定義各部件之間的運(yùn)動副，為了消除了車輪外傾和前束的影響，單純分析輪距變化引起的輪胎滑移，設(shè)置車輪外傾角和前束為0，建立的多體動力學(xué)模型見圖1。

3 輪距變化對輪胎滑移的靈敏度分析

對模型進(jìn)行雙輪同向平行輪跳動仿真，設(shè)置車輪上、下跳動距離分別為50mm，得到輪胎滑移隨輪跳變化的曲線。圖2中輪距初始值和輪胎滑移初始值曲線所示，仿真表明當(dāng)前懸架參數(shù)下，單側(cè)車輪輪距變化為7mm，引起的輪胎滑移量為19.2mm，變化范圍較大，對輪胎磨損有明顯影響。

圖1 變形式麥弗遜懸架及其多體動力學(xué)模型

圖2 輪距、滑移量與車輪跳動關(guān)系

對該模型進(jìn)行試驗(yàn)分析，選擇橫擺臂7、斜擺臂5的4個硬點(diǎn)的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、Z坐標(biāo)值共12個變量作為影響因子，以輪距作為響應(yīng)變量。通過Adams Insight進(jìn)行設(shè)計試驗(yàn)，經(jīng)過128次迭代分析得到12個變量對輪距的靈敏度分析結(jié)果，見表1。表明橫擺臂外點(diǎn)z坐標(biāo)、橫擺臂內(nèi)點(diǎn)z坐標(biāo)對輪距變化影響最大，其它硬點(diǎn)坐標(biāo)值的影響較小，不予考慮。修改橫擺臂外點(diǎn)z坐標(biāo)為-410、橫擺臂內(nèi)點(diǎn)z坐標(biāo)為-370，再次仿真模型。仿真結(jié)果如圖2經(jīng)過優(yōu)化后的輪距優(yōu)化值和輪胎滑移優(yōu)化值曲線所示，單側(cè)車輪輪距變化為1.6mm，引起的輪胎滑移量為9.4mm，改善效果十分明顯。

4 外傾和前束變化對輪胎滑移的影響分析

對于電傳動自卸車，外傾角的存在有其必要性。乘用車一般考慮懸架彈性軸套間隙和變形的存在，當(dāng)汽車滿載時，車橋因加載而可能產(chǎn)生內(nèi)傾。

為了防止這種傾向，前輪設(shè)有外傾角。電傳動自卸車的外傾角主要是消除轉(zhuǎn)向節(jié)的向外分力，從而減小外軸承及軸承定位板的軸向受力，消除了前輪工作中的不安全因素。

表1 擺臂硬點(diǎn)坐標(biāo)對輪距的靈敏度

圖3 外傾角與輪胎滑移關(guān)系

圖4 前束角與輪胎滑移關(guān)系

圖5 優(yōu)化后的定位參數(shù)隨輪跳變化

為分析外傾角對輪胎滑移的影響，在上述硬點(diǎn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，在前束為0的條件下，取外傾角值為0°、0.5°、1°、2°，分別進(jìn)行仿真，結(jié)果見圖3。結(jié)果表明，外傾角的變化對滑移范圍幾乎沒有影響，但能夠有效降低輪胎最大滑移量。外傾角從0°增大到2°，輪胎最大滑移量減小了10%，對輪胎磨損有明顯改善。

為分析前束角對輪胎最大滑移量的影響，在上述硬點(diǎn)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，在外傾角為0的條件下，取前束角為0°、0.5°、1°、2°，分別進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，前束角的存在能夠降低輪胎滑移，且前束角越大滑移越小，但效果并不明顯，從0°增大到2°，輪胎最大滑移量也只減少了0.17%。

外傾角的選擇，除了考慮降低輪胎滑移，還應(yīng)考慮過大的外傾角會造成輪胎外側(cè)磨損加劇，因此，為了平衡這種矛盾，外傾角也不宜過大，電傳動自卸車一般選擇0.5～1°。乘用車中，前束角主要是為了平衡外傾角引起的輪胎滑移，但對于電傳動自卸車，這種效果并不明顯，考慮到電傳動自卸車采用的都是大尺寸全鋼子午線輪胎，從降低擺振的角度考慮，前束角越小越好，甚至設(shè)置為0°，實(shí)際上，國際上主流品牌，例如小松、日立等公司的產(chǎn)品的前束值也是為0°。

通過上述分析，在硬點(diǎn)優(yōu)化的前提下，選擇輪胎外傾角為0.5°，前束角為0°，仿真分析結(jié)果見圖5，

觀察前輪定位參數(shù)的變化。車輪上跳時，外傾角減小，有利于提高側(cè)偏性能，且降低輪胎磨損；主銷后傾角增大，有利于提高抗制動縱傾特性；主銷內(nèi)傾角增大，有利于在載荷增大時自動回正能力相適應(yīng)的提高，同時彌補(bǔ)外傾角隨車輪上跳而減小；前束角減增大，雖然有增加過渡轉(zhuǎn)向趨勢的效果，但是電傳動自卸車轉(zhuǎn)彎時車速一般低于15km/h，過渡轉(zhuǎn)向效應(yīng)非常小。而且，所有定位參數(shù)的變化均在合理范圍之內(nèi)。綜上，經(jīng)過硬點(diǎn)優(yōu)化和參數(shù)選擇后的前橋運(yùn)動學(xué)特性是比較理想的。

5 結(jié) 論

變形麥弗遜懸架將普通麥弗遜懸架的下控制臂改為橫擺臂和斜擺臂兩個部件，其中橫擺臂內(nèi)、外硬點(diǎn)的z坐標(biāo)對輪距變化影響最大，優(yōu)化這兩個坐標(biāo)值對改善輪距變化以及降低輪胎磨損的效果非常明顯。

在硬點(diǎn)優(yōu)化的前提下，外傾角的增大能夠進(jìn)一步降低輪胎滑移，且效果明顯。前束角的增大也能夠減小輪胎滑移，但效果不明顯。

經(jīng)過優(yōu)化的硬點(diǎn)和定位參數(shù)的選擇能夠滿足電傳動自卸車運(yùn)行過程中對前輪定位參數(shù)變化的要求，并能夠?qū)崿F(xiàn)降低輪胎磨損的目的，說明本文采用的設(shè)計方法能夠指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，具有實(shí)際意義。

［1］ 萬海如，唐新蓬，段家典.重型礦用電動輪自卸車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.重型汽車，2001（2）：8-14.

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［3］ 王志杰.礦用自卸車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與仿真研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.

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Optimized design of variant Macpherson front suspension of electric drive truck

XIE He-ping1，MENG Qing-yong1，WEI Guang-juan2
（1.Xuzhou Xugong Mining Machinery Co.，Ltd.，Xuzhou 221000，China；2.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221000，China）

Establishing rigid body model of variant Macpherson front suspension of XCMG 200t electric drive truck with the multi-body system dynamic simulation software ADAMS Car.Through simulation analysis of Variant Macpherson suspension to study effect of suspension hard points and alignment parameters on tire wear.Using ADAMS Insight to study sensitivity of the suspension hard points to tire wear，the analysis result show that the Z coordinates of the inner and outer hard points of the horizontal arm are the most influential to the tire slip.Under the condition of the optimization of the hard point，the increase of the camber angle can further reduce the tire slip，and the effect is obvious.The increase of the toe angle can also reduce the tire slip，but the effect is not obvious.The results can provide the accurate theoretical basis and guiding significance for designing.

ADAMS；variant Macpherson suspension；kinematics analysis；tire wear

U463.83

A

1004-4051（2016）09-0162-04

2016-06-23

謝和平（1985-），男，蒙古族，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市，工程師，所長助理，2010年畢業(yè)于吉林大學(xué)，碩士，主要從事礦用自卸車底盤研究。E-mail：15852158175@163.com